[發明專利]基于妥協決策的零件結構拓撲優化設計方法

有效

• 申請號: 201711087940.9
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107958103B
• 公開（公告）日: 2019-02-22
• 發明（設計）人: 王國新;陳舒婷;閻艷
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安;楊志兵

本發明針對零件拓撲結構設計過程中存在多目標之間相互矛盾的問題，提出一種基于妥協決策的零件拓撲優化設計方法。該方法利用拓撲優化求解多組不同材料去除率下的零件結構的布局，并通過原始結構的靜力學分析以及比較不同材料去除率下布局的重疊圖，確定影響結構性能的關鍵幾何參數以及結構的初步布局模型；同時利用目標要求分析確定關鍵材料參數以及妥協決策目標變量、偏差變量。然后將由上述方法確定的關鍵幾何參數與材料參數作為妥協決策的系統變量，通過響應面分析和回歸分析，得到目標變量與系統變量之間的函數關系，結合變量約束條件，建立妥協決策數學模型。

技術領域

本發明涉及一種優化設計方法，具體涉及一種零件拓撲優化設計方法，屬于機械設計領域。

背景技術

結構的拓撲關系影響結構的物理性能表達，因此可以通過改變結構的拓撲關系優化結構的物理性能。在產品概念設計階段，對于完全陌生或是需要進行程度較大的改型設計的產品，拓撲優化可以有效、快捷、準確地確定產品初始結構構型。因此，拓撲優化技術已廣泛運用于工程設計中。

由于拓撲優化是無參數優化，無法直接求解結構構型的具體尺寸；此外，在多目標設計問題中，設計目標不僅包括結構的物理性能指標，還包括非物理性能指標(例如制造成本、時間成本等)，且當不同目標之間存在相互沖突、相互矛盾的制約關系時，設計者必須對各個目標做出妥協權衡。妥協決策數學模型正是用于解決在實際約束的條件下，求解多目標設計問題。妥協決策數學模型在概念上融合了傳統數學規劃與目標規劃，并在其基礎上對多個目標進行權衡、對約束條件進行妥協，尋找最接近設計要求的滿意方案。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種基于妥協決策的零件拓撲優化設計方法，利用拓撲優化技術結合妥協決策數學模型，能夠有效解決設計要求之間存在矛盾的多目標零件構型設計問題。

所述的基于妥協決策的零件拓撲優化設計方法，其步驟為：

步驟一：依據設計要求建立零件的原始幾何結構模型；

步驟二：對步驟一所建立的原始幾何結構模型進行靜力學分析，得到原始幾何結構模型的等效應力圖；

步驟三：對步驟一中所建立的原始幾何結構模型進行設定的、不同材料去除率的拓撲優化設計，得到不同材料去除率下的拓撲優化結果圖；然后將不同材料去除率下的拓撲優化結果圖進行圖像疊加處理，得到重疊圖像；

步驟四：結合步驟二靜力學分析結果中等效應力較小部位，將步驟三中得到的重疊圖像中變化較大的結構尺寸確定為影響結構性能的關鍵幾何結構尺寸參數，并通過重疊圖像確定零件結構初步構型；

分析與設定的設計目標相關的材料參數，將該材料參數作為關鍵材料參數；

步驟五：確定目標變量與關鍵幾何結構尺寸參數與關鍵材料參數之間的關系

將設計目標表示為目標變量A_i(V)，i＝1，2...N，其中N為目標變量的個數，每個目標變量對應一個設計目標，V為系統變量；建立目標變量與系統變量之間的回歸關系，所述系統變量為步驟四所確定的關鍵幾何結構尺寸參數和關鍵材料參數；

步驟六：建立基于妥協決策的零件結構拓撲模型

所述基于妥協決策的零件結構拓撲模型的系統變量V為：

V＝(X,Y)，其中：

X＝(X₁,X₂,X₃,...,X_n),X_r≥0r＝1,2,3...,n

Y＝(Y₁,Y₂,Y₃,...,Y_k),Y_t≥0t＝1,2,3...,k